KR0135506B1 - 최대자기 유도의 차이를 이용하여 비접촉으로 토오크를 측정하는 방법 - Google Patents

Abstract

회전축의 토오크를 비접촉으로 측정하기 위하여 회전축에 부착된 자성재료의 최대자기유도변화의 차이를 측정하여 비접촉으로 토오크를 측정하는 방법과 장치에 관한 것으로서 토오크에 의한 회전축의 변형이 코아에서 반대되는 영향(인장응력과 압축응력)이 있게 자기탄성효과가 있는 코아를 회전축에 부착하고, 코아가 교류자화되는 과정에서 회전축의 토오크에 의한 최대자기유도의 차이를 S/H증폭기를 사용하여 측정하므로서 토오크를 비접촉으로 측정함을 특징으로 하는 최대자기유도의 차이를 이용하여 비접촉으로 토오크를 측정하는 방법과 장치.

Description

최대자기 유도의 차이를 이용하여 비접촉으로 토오크를 측정하는 방법

제1도는 회전축의 토오크를 비접촉으로 측정하기 위하여 회전축에 부착된 자성재료의 최대자기유도 변화의 차이를 측정하기 위한 비접촉 토오크센서의 구조도.

제2도는 본 발명의 측정장치 구성도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 회전축2 : 코아

3 : 솔레노이드4 : 탐지코일

5 : 발진기6 : 전압-전류변환기

7 : 전자적분기8 : S/H 증폭기

9 : 멀티-바이브레이터10 : 출력전압

본 발명은 회전축의 토오크를 비접촉으로 측정하기 위하여 회전체에 부착된 자성재료의 최대자기유도변화의 차이를 측정하여 비접촉으로 토오크를 측정하는 방법에 관한 것이다.

동적인 토오크의 측정은 회전동력장치의 일률측정 등에 널리 사용되어 왔으며, 그 측정방법으로는 스트레인 게이지 방법, 광학적 방법 및 자기적인 방법등이 있다.

최근에는 공장 자동화와 관련하여, 생산공정의 40%가 드릴링 작업으로 생산성 향상과 품질향상을 도모하기 위하여 연장의 마모상태를 판단하는 측정방법이 필요하게 되었으며, 이를 위하여 AE(Acoustic Emission)방법, 모터의 전류측정 및 토오크 측정방법 및 토오크 측정방법 등이 개발되고 있다.

특히 비접촉 토오크 센서는 이러한 응용분야의 활용에 경제적이고 효과적인 측정장치로 대두되고 있다.

본 발명은 자성체의 자기탄성효과를 이용하여 비접촉으로 토오크를 측정하는 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

공지된 일본 특개소 61-195323호는 자기탄성효과를 이용한 토오크 센서로써 인덕턴스의 변화나 두 코아의 투자율 변화에 의한 기전력에 차이를 측정하는 방법이지만, 본 발명은 최대 자기유도 변화를 S/H 증폭기로 측정하는 것으로 측정원리가 전혀 다른 방법이다.

그리고 종래와 같이 인덕턴스의 변화를 이용할 경우는 자화주파수 보다 훨신 낮은 주파수 대역의 토오크 측정이 가능하지만, 본원은 S/H증폭기로 최대자기유도변화만 측정하기 때문에 자화주파수와 같은 주파수로 토오크를 측정할 수 있어 공지의 일본 특개소 61-195323호 보다 동특성이 훨씬 더 우수한 센서이다.

즉, 본 발명은 비정질 합금재료인 자성재료를 코아(Core)로 사용하는 것으로 학술적으로는 자기센서 분류의 센서이다.

자기센서의 대부분은 코아에 코일을 권선하는 방법을 사용한다.

코아에 코일을 권선하는 것 그 자체는 일반적인 내용이다.

그러나, 코일에 흐르는 전류의 파형이나 이차코일에 유도되는 전압파형이 자기이력곡선의 특성변화와 관련이 있어 일차코일에 흐르는 전류의 파형이나 이차코일에 유도되는 전압파형 또는 이를 조합한 다양한 특허출원이 가능하리라 본다.

본 발명의 내용은 자성체의 자기탄성효과를 이용하여 비접촉으로 토오크를 측정하는 방법에 관한 것으로, 자기탄성효과를 센서에 응용하기 위하여 투자율의 변화를 이용한 멀티-바이브레이터(Multi-vibrator)를 이용하는 방식 등 여러 가지가 있으나, 본 발명에서는 자기 탄성효과를 최대자기유도의 변화를 측정하기 위하여 최대자기유도시점에서 셈플링펄스를 발생시켜 이 셈플링펄스 시점에서 검축되는 최대자기유도를 S/H증폭기를 사용하여 측정함으로 이때 측정되는 최대자기유도의 변화를 이용하여 힘을 측정하는 것으로 이는 본 발명이 창출한 기술로서 상기 일본 공개공보인 일본 특개소 61-195323호에는 그 기재가 전혀 없는 것이다.

이하 발명의 요지를 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도와 같이 회전축(1)에 비정질 자성재료인 코아(2)를 부착하여, 회전축(1)이 토오크를 받으면 자성재료가 인장응력과 압착응력을 각각 받게 되며, 자성재료의 최대자기유도(B_max)가 인장응력인지 압축력 인지에 따라서 증가하거나 감소하게 된다.

힘의 방향이 서로 다르게 받는 두 코아(2)의 최대자기유도(B_max)의 차이를 측정하게 위하여 솔레노이드(3)에 교류 전류를 가하고 시편의 최대 자기유도의(B_max) 차이를 측정하기 위하여 각각의 코아(2) 주위에 탐지코일(4)을 권선한다.

제2도는 최대자기유도(B_max)의 차이를 측정하여 회전축(1)의 토오크를 측정하기 위한 측정장치의 구성도로서, 발진기(5)에서 발생하는 sine파형의 교류전압을 전압-전류 변환기(6)를 사용하여 전류파형으로 변환시켜서 솔레노이드(3)에 공급하므로서 코아(2)를 교류자화 시킨다.

한편 두 코아(2)의 최대자기유도(B_max)의 차이를 구하기 위하여 탐지코일(4)을 극성이 반대되게 직렬로 연결하여 두 탐지코일(4)에서 유도되는 기전력의 차이를 전자적분기(7)를 사용하여 적분하므로서 두 코아(2)의 자속밀도의 차이에 비례하는 신호를 얻어서 S/H 증폭기(8)의 아날로그 입력단에 입력한다.

샘플링펄스는 발진기(5)에서 나온 cosine파형의 신호를 전압비교기(도시없음)와 펄스발생기인 멀티-바이브레이터(9) 등을 이용하여 cosine출력의 제로-크로싱 위치에서 샘플일 펄스를 발생시켜 최대자기 유도의 시점에서 발생되게 하여, 이 신호를 S/H증폭기 (8)의 디지탈 입력단에 입력한다.

따라서 S/H출력전압(10)은 두 코아(2)의 최대자기유도의 차이에 비례하며, 이를 이용하여 회전축(1)의 토오크를 비접촉으로 측정할 수 있다.

이하 본 발명의 요지와 그 실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

비정질합금의 최대자기유도 B_max의 변화를 이용한 비접촉 토오크센서에 있어서, 회전축(1)에 두 코아(2)를 회전축(1) 방향에 대하여 ±45도 각도로 부착시킬 경우, 회전축(1)이 받는 토오크에 의한 축의 변형이 각각 코아(2)에 인장응력과 압착응력을 받게하여 두 코아(2)의 최대자기유도차이를 피측정량으로 하는 비접촉 토오크센서가 가능하다.

토오크 센서를 제작하기 위하여 탄성체인 회전축(1)을 제작하여야 한다.

토오크센서의 원리가 최대자기유도의 차이를 측정하는 것임으로 비정질 리본을 충분히 자화 시켜야 하기 때문에, 금속재의 회전축(1) 사용이 어려워, 유리섬유(Glass filber)를 사용한 에폭시(Epoxy) 막대를 제작하였다.

에폭시 막대의 제작은 직경이 10mmψ인 막대에 유리섬유를 축방향에 45도 각도로 권선하고 에폭시를 몰딩한 후, 다시 그 위에 -45도 각도로 유리섬유를 권선하고 에폭시를 몰딩하는 방식으로 반복하여 최종적으로 직경이 20mmψ인 막대를 제작하였다.

따라서 축방향의 토오크에 의한 축의 변형이 축방향에 대하여 ±45도 방향으로 용이한 비자성인 회전축(1)을 제작하였다.

제작된 회전축(10)은 직경이 19mmψ가 되도록 선반을 사용하여 가공한 후 음자왜(Negative magneto-striction)인 Vaccumshmelze사이의 Co-계열 비정질 리본(Co₆₂Ni₁₅Si₁₈B₁₅, 포화자왜 λ₃=-6×10^-6)을 폭 12mm로 절단하고, 리본에 폭 1mm, 간격 1mm인 레터링을 45도 각도로 부착시킨후 에칭을 하였다.

상기 방법으로 제작된 비정질 코아(2)를 회전축(1)에 순간접착제(Loctite Cyanoacrylate 401)을 사용하여 부착시켰다.

최대자기유도의 변화 ΔB_max는 외부에서 가한 응력에 대하여 어떤 선형도 범위내에서 비례할 경우

ΔB_max=Kσ이고,

여기서 σ=F/A(F : 힘, A : 코아의 단면적)이고 K는 비례상수이다.

토오크센서에서 회전축(1)의 변형이 토오크에 비례하면, 회전축(1)이 받는 토오크의 의하여 회전축(1)에 부착된 비정질 코아(2)는 각각 인장 응력과 압착응력을 받게되고, 토오크(τ)와 두 코아(2)의 최대자기 유도변화의 차이는 다음과 같이 된다.

2ΔB_max=K₁τ

여기서 K1은 비례상수이다.

두 코아(2)의 최대자기유도의 차이를 이용한 토오크센서의 구조는 제1도에 도시한 바와 같으며, 코아(2)를 자화시키기 위한 일차코일은 직경이 0.4mmψ인 에나멜선을 길이가 10cm, 직경이 3.2cm인 솔레노이드(3)로 480회 권선하였으며, 이차코일은 각각 코아(2)위에 직경이 0.4mmψ인 에나멜선을 폭이 15mm 되게 460회를 각각 권선하고 두 코일은 극성이 서로 반대되게 직렬로 연결하여 토오크가 없을때 출력전압(10)이 0이 되게 하였다.

한편 두 코아(2)의 최대자기유도의 차이를 구하기 위해서 다음과 같은 방법을 택하였다.

우선 최대자기유도에 도달하는 시간이 최대 자화력 H_max의 시점과 같기 때문에 만약 일차코일에 가하는 전류를 정현파로 할 경우 최대 자기유도의 시점은 일차코일에 흐르는 전류파형의 미분인 cosine 파형의 제로-코로싱(Zero-crossing) 시점이 된다.

제2도는 본 발명 측정장치의 구성도로서, sine과 cosine의 출력이 있는 발진기(5), 즉 직각위상발진기(quadrature oscillator; BB4423)를 사용하였으며, 자화주파수는, 10kHz를 사용하였다.

일차코일인 솔레노이드(3)에 가하는 전류는 발진기(5)의 sine 출력단을 전압-전류 변환기에 연결하였으며, 최대자기유도의 샘플링펄스를 얻기 위하여 cosine 출력을 전압비교기와 멀티-바이브레이터(9)(Multo-vibrator)를 사용하여 cosine출력의 제로-크로싱 위치에서 샘플링 펄스를 만들어 S/H 증폭기(8)의 디지털 입력단에 연결하였다.

한편 두 코아(2)의 최대자기유도의 변화를 구하기 위하여 두 이차코일인 탐지코일(4)에 유도되는 기전력의 차이를 전자적분기(7)의 밀러(Miller)적분기로 적분하였으며, 적분된 신호를 증폭기를 사용하여 증폭시킨 다음 S/H 증폭기(8)의 아날로그 입력단에 연결함으로써 두 코아(2)의 최대자기유도의 차이에 비례하는 출력을 얻을 수 있도록 하였다.

따라서 S/H 증폭기의 출력과 회전축(1)에 가한 토오크와의 관계는 다음과 같다.

이다.

여기서 G는 증폭기의 이득이고 RC는 전자적분기(7)의 시간상수(time constant)이다.

상기식에서 보면 S/H 증폭기(8)의 출력이 회전축(1)의 토오크에 비례하고 비례상수가 토오크에 대하여 독립적이다.

그러나 비례상수 K₁은 자화주파수와 최대자화력 H_max에 따라 변화한다.

주어진 자화주파수와 최대자화력에 대하여 비례상수가 일정하게 때문에 외부에서 가하는 토오크를 자화 파수와 동일한 샘플링 주파수로 측정할 수 있고 회전축(1)과 자화코일 및 탐지코일(4)이 비접촉이기 때문에 특성이 우수한 비접촉 토오크 센서가 가능한 것이다.

이와 같은 본 발명을 이용하여 토오크를 측정할 경우 자화주파수와 같은 주파수로 토오크를 측정할 수 있기 때문에, 동특성이 우수하고 과도적인 토오크(Transient torque)를 측정할 수 있음으로 해당 산업분야에 실용화시킬수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 토오크에 의한 회전축(1)의 변형이 코아(2)에 서로 반대되는 영향이 있게 자기탄성효과가 있는 코아(2)를 회전축(1)에 부착하여 토오크를 측정하는 것에 있어서, sine과 cosine의 출력이 있는 발진기(5)를 사용하여 일차코일인 솔레노이드(3)에 가하는 전류는 발진기(5)의 sine 출력단을 전압-전류 변환기에 연결하고, 최대자기유도의 샘플링펄스를 얻기 위하여 발진기(5)의 cosine 출력을 전압비교기(도시없음)와 펄스발생기인 멀티-바이브레이터(9)를 사용하여 cosine 출력의 제로-크로싱위치에서 샘플링 펄스를 발생시켜 S/H 증폭기(8)에 디지털 입력단에 연결하고, 한편 두 코아(2)의 최대자기유도의 변화를 구하기 위하여 두 이차코일인 탐지코일(4)에 유도되는 기전력의 차이를 전자적분기(7)로 적분하였으며, 적분된 신호를 증폭기를 사용하여 증폭시킨 다음 S/H 증폭기(8)의 아날로그 입력단에 연결함으로써 두 코아(2)의 최대자기유도의 차이에 비례하는 출력을 얻을 수 있도록 하는데, 주어진 자화주파수와 최대자화력에 대하여 비례상수가 일정하기 때문에 외부에서 가하는 토오크를 자화주파수와 동일한 샘플링 주파수로 측정할 수 있고, 회전축(1)과 자호코일 및 탐지코일(4)이 비접촉으로 측정함을 특징으로 하는 최대자기유도의 차이를 이용하여 비접촉으로 토오크를 측정하는 방법.